Vodonik

Vodonik

odaje ljubičasti sjaj u stanju plazme
Opšta svojstva
Ime, simbol	vodonik, H
U periodnom sistemu
Vodonik Helijum Litijum Berilijum Bor Ugljenik Azot Kiseonik Fluor Neon Natrijum Magnezijum Aluminijum Silicijum Fosfor Sumpor Hlor Argon Kalijum Kalcijum Skandijum Titanijum Vanadijum Hrom Mangan Gvožđe Kobalt Nikl Bakar Cink Galijum Germanijum Arsen Selen Brom Kripton Rubidijum Stroncijum Itrijum Cirkonijum Niobijum Molibden Tehnecijum Rutenijum Rodijum Paladijum Srebro Kadmijum Indijum Kalaj Antimon Telur Jod Ksenon Cezijum Barijum Lantan Cerijum Prazeodijum Neodijum Prometijum Samarijum Evropijum Gadolinijum Terbijum Disprozijum Holmijum Erbijum Tulijum Iterbijum Lutecijum Hafnijum Tantal Volfram Renijum Osmijum Iridijum Platina Zlato Živa Talijum Olovo Bizmut Polonijum Astat Radon Francijum Radijum Aktinijum Torijum Protaktinijum Uranijum Neptunijum Plutonijum Americijum Kirijum Berklijum Kalifornijum Ajnštajnijum Fermijum Mendeljevijum Nobelijum Lorencijum Raderfordijum Dubnijum Siborgijum Borijum Hasijum Majtnerijum Darmštatijum Rendgenijum Kopernicijum Nihonijum Flerovijum Moskovijum Livermorijum Tenesin Oganeson — ↑ H ↓ Li — ← vodonik → helijum ‍
Atomski broj (Z)	1
Grupa, perioda	grupa 1, perioda 1
Blok	s-blok
Kategorija	diatomski nemetal
Rel. at. masa (Ar)	1,00782503223(9) konvencionalna: 1,008
El. konfiguracija	1s1
po ljuskama	1
Fizička svojstva
Boja	bezbojan
Agregatno stanje	gasovito
Tačka topljenja	14,025 K (−259,13 °‍C)
Tačka ključanja	20,268 K (−252,88 °C)
Gustina	0,0899 kg/m³
Molarna zapremina	11,42×10−3 m3/mol
Kritična tačka	33,25 K (−239,9 °‍C), 1,3 MPa (13 atm)
Toplota fuzije	0,05868 kJ/mol
Toplota isparavanja	0,44936 kJ/mol
Sp. topl. kapacitet	14.304 J/(kg·K)
Napon pare	209 Pa (23 K)
Atomska svojstva
Oksidaciona stanja	1
Osobine oksida	amfoterni
Elektronegativnost	2,2 (Poling)
Energije jonizacije	1: 1.312 kJ/mol
Atomski radijus	25 (53) pm
Kovalentni radijus	37 pm
Valsov radijus	120 pm
Spektralne linije
Ostalo
Kristalna struktura	​heksagonalna
Brzina zvuka	1.270 m/s (298,15 K)
Topl. vodljivost	0,1815 W/(m·K)
Sp. el. vodljivost	13,8×106 S/m
CAS broj	12385-13-6

Vodonik (H, lat. hydrogenium — stvaralac vode) prvi je i najlakši hemijski element. Pri standardnim uslovima pritiska i temperature, vodonik je dvoatomni gas bez boje, mirisa i ukusa. Nije otrovan, i znatno je lakši od vazduha. Na sobnoj temperaturi nije posebno reaktivan, dok pri višim temperaturama ulazi u niz reakcija. Uzrok tome ja jaka jednostruka kovalentna veza.

Vodonik nema određen položaj u periodnom sistemu i uglavnom se proučava zasebno. Može se smatrati ravnopravnim članom 1. ili 17. grupe. Razlog tome je da poseduje jedan proton i jedan valentni elektron kao i alkalni metali, ali od njih se razlikuje mnogo većom energijom jonizacije. Za stabilnu elektronsku konfiguraciju nedostaje mu jedan elektron, što navodi da bi se vodonik mogao smatrati halogenim elementom, ali od njih ima manju elektronegativnost i afinitet prema elektronu.

Ovaj element sačinjava 75% vidljive mase svemira, te je ishodišna materija iz koje su nuklearnom fuzijom nastali ostali elementi. Zvezde u glavnom nizu se uglavnom sastoje od vodonika, u obliku plazme. Elementarni vodonik na Zemlji je prisutan u vrlo malim količinama.

Elementarni vodonik sastoji se od običnog vodonika (protijum, ¹H) (>99,98%), dok ostatak (gotovo 0,02%) čini teški vodonik (deuterijum, ²H, D) s tragovima superteškog vodika (tricijuma, ³H, T). Pošto je jedan od stabilnih izotopa dva puta teži od drugog, oni se međusobno dosta razlikuju po hemijskim svojstvima. Vodonik stvara hemijske veze sa najvećim brojem elemenata, posebno u organskim jedinjenjima. Pri standardnom pritisku i temperaturi, vodonik je gas bez boje, mirisa i ukusa, 14,4 puta je lakši od vazduha. Neotrovan je. Slabo je rastvorljiv u polarnim, a bolje u nepolarnim rastvaračima.

Industrijski se najviše dobija iz zemnog gasa, a ređe elektrolizom vode. Najviše se koristi u proizvodnji fosilnih goriva (hidrokrakovanje – povećanje kvaliteta goriva) i za dobivanje amonijaka, u proizvodnji veštačkih đubriva. U metalurgiji nije poželjan, jer mnoge metale čini lomljivim i krtim, pa stvara poteškoće u izgradnji cevovoda i metalnih spremnika.

Istorija

Vodonik (lat. Hydrogenium) je definisao Britanac Henri Kavendiš 1766. On nije prvi izolovao ovaj element, već je to uradio Paracelzus u 16. veku reakcijom metala i jake kiseline, i nazvao ga „zapaljivim vazduhom“. Kavendiš je formirao vodonik reakcijom cinka i hlorovodonične kiseline. Definisao je o kom gasu je reč i dokazao da reakcijom vodonika i kiseonika nastaje voda. Zbog tog svojstva Antoan Lavoazje ga 1783. naziva hydrogène, od grčkog "onaj koji stvara vodu" (grč. ὕδωρ = voda, γενής = stvaratelj).

Tečni vodonik je prvi formirao Džejms Devar 1898, a godinu dana kasnije je proizveo i čvrsti vodonik. Deuterijum je dobio 1931. Harold Klejton Juri, a sledeće godine je formirana teška voda. 1934. Ernest Raderford i njegov tim su proizveli tricijum.

Žak Šarls je izumeo prvi balon na topli vazduh 1783. godine. Ferdinand fon Cepelin je napravio letilicu na vodonik, koja je imala prvi let 1900, i kasnije je nazvana cepelin.

Nikal – vodonikove baterije su prvi put korištene 1977, a kasnije ih je koristila Međunarodna svemirska stanica, svemirske letelice Odiseja na Marsu 2001. i Marsov globalni geometar, te svemirski teleskop Habl, kome je prvo pakovanje baterija trajalo 19 godina.

NGC 604 galaksija, ogromno područje jonizovanog vodonika u sazvežđe Trougao.

Uloga u kvantnoj teoriji

Zbog svoje jednostavne atomske strukture, koja se sastoji od jednog protona i elektrona, atom vodonika sa svojim spektralnim linijama svetlosti (emisija i apsorpcija – Balmerova serija, Lajmanova serija itd.), imao je središnju ulogu u razvoju teorije atomske strukture. Osim toga, atom vodonika i odgovarajući katjoni H₂⁺ su imali važnu ulogu u razumevanju prirode hemijskih veza, teorija kojih se razvila 1920-ih.

Pre razvoja kvantne mehanike, Maksvel je uočio da specifični toplotni kapacitet molekula H₂ ima neobjašnjivo odstupanje na niskim temperaturama, gde se H₂ počinje više ponašati kao jednoatomni gas. Prema kvantnoj teoriji, ta pojava se dešava zbog prostora energetskih nivoa, koji su naširoko raspoređeni kod H₂ zbog male mase. Taj veliki prostor energetskih nivoa onemogućuje ravnomernu raspodelu toplotne energije kod vodonika na niskim temperaturama.

Svojstva

Pri standardnim uslovima pritiska i temperature, vodonik je gas bez boje, mirisa i ukusa, koji je 14.4 puta lakši od vazduha. Nije otrovan. Slabo je rastvoran u polarnim, a bolje u nepolarnim rastvaračima.

Ohlađen na temperaturu ključanja, kondenzuje se u bezbojnu tečnost koja je najlakša od svih tečnosti. Daljim odvođenjem toplote dolazi do očvršćavanja u prozirnu čvrstu materiju heksagonalne kristalne strukture.

Zapaljiv je sa granicom eksplozivnosti u vazduhu od 4-94%. Minimalna energija inicijacije paljenja 0,02 MJ. Temperatura plamena pri stehiometrijskom sagorevanju je 1930 °C. Zapaljen na vazduhu pri 560 °C, izgara gotovo nevidljivim plamenom formirajući vodu:

${\ce {2 H2(g) + O2(g) -> 2 H2O(l)}}$ ${\ce {{\displaystyle \Delta {}_{\mathrm {r} }H}=286kJmol^{-}^{1}}}$

Na sobnoj temperaturi nije posebno reaktivan, dok pri višim temperaturama ulazi u niz reakcija. Rastvara se u mnogim metalima, kao što je platina.

Pri sobnoj temperaturi bez katalizatora, reaguje samo s fluorom i vanadijumom u prahu. Uzrok slaboj reaktivnosti molekularnog vodonika pri sobnoj temperaturi je jačina jednostruke kovalentne veze molekula. Ta veza je najjača od svih jednostrukih kovalentnih veza između dva istoimena atoma. Pri povišenoj temperaturi spaja se i s kiseonikom iz mnogih oksida, te tako deluje kao redukciono sredstvo.

Niz proton-proton prevladava kod zvijezda veličine našeg Sunca ili manjih

Linijski spektar vodonika

Glavni članak: Balmerova serija

Linijski spektar vodonika je prikazan na traci crne pozadine sa uskim linijama različitih boja: dve ljubičaste, jedna plava i jedna crvena. Emisione linije spektra vodonika pripadaju vidljivom spektru svetlosti. To su četiri vidljive linije Balmerove serije.

Glavni članak: Borov model atoma

Zbog relativno jednostavne atomske strukture, tj. zbog toga što se atom vodonika sastoji samo od protona i elektrona, uz spektar svetlosti koji proizvodi ili ga apsorbuje, vodonik je bio centralna figura za razvoj teorije strukture atoma. Štaviše, odgovarajuća jednostavnost molekula vodonika i odgovarajućih katjona H₂+, vodila je do potpunijeg razumevanja prirode hemijskih veza, koja je usledila ubrzo nakon pojave kvantno-mehaničkog tretmana atoma vodonika sredinom 1920-ih.

Linijski spektar vodonika.

Među prvim primećenim kvantnim efektima kod vodonika je upravo njegov linijski spektar, pola veka pre uvođenja teorije kvantne mehaničke. A. Angstrem je 1853. napravio eksperiment u kojem je gas vodonika u staklenom sudu (pri niskom pritisku) pobuđivao električnom strujom (dovođenjem napona na krajeve suda). Ovaj gas je emitovao zračenje iz kojeg je izdvojeni uzak snop doveden na prizmu davao pravilno razdvojena četiri snopa svetlosti različitih boja.

Ispitivanje spektra vodonika

Drugi primećen efekat (nije bio objašnjen u to vreme) je proizašao iz Maksvelovog posmatranja vodonika. Maksvel je primetio da specifična toplota H₂ ispod sobne temperature, neobjašnjivo odstupa od one kod drugih diatomnih gasova i počinje da liči na onu kod jednoatomskih gasova na Kriogenim temperaturama. Ovaj efekat je kasnije objašnjen uz pomoć kvantne teorije, odnosno uticajem kvantovane energije nivoa na raspodelu toplotne energije u rotaciono kretanje kod vodonika na niskim temperaturama. Diatomni gasovi koji se sastoje od težih atoma nemaju široko raspoređene nivoe i ne pokazuju isti efekat kao vodonik.

Zastupljenost

Vodonik čini 75% mase svemira, te je ishodišna materija iz koje su nuklearnom fuzijom nastali ostali elementi. Po broju atoma, vodonika ima 90% u svemiru. Ima ga u ogromnim količinama u zvezdama i gasnim divovima. Molekularni oblaci sa H₂ su povezani sa rođenjem zvezda. Vodonik ima odlučujuću ulogu u stvaranju snage i toplotne energije u nuklearnoj fuziji, koja se odvija u jezgrama zvezda, kroz niz proton – proton i niz ugljenik – azot – kiseonik procese.

U svemiru vodonik se uglavnom nalazi u atomskom stanju ili kao plazma, čija su svojstva sasvim drukčija od molekularnog vodonika H₂. Kao plazma, vodonikovi elektroni i protoni nisu povezani zajedno, i proizvode veoma jaku električnu provodnost i veliku emisiju toplote (stvara se elektromagnetsko zračenje, uključujući svetlost sa Sunca i ostalih zvezda). Na naelektrisane čestice vodonika snažno utiču magnetna i električna polja. Na primer, Sunčev vetar deluje na Zemljinu magnetosferu, stvarajući polarnu svetlost i Birkelandovu struju.

Elementarni vodonik na Zemlji je široko rasprostranjen, mada u malim količinama. Prisutan je u atmosferi, zemnom gasu, vulkanskim gasovima, itd. Zbog toga što ga gravitacija teško može zadržati, vodonik u gornjim delovima atmosfere izlazi u svemir. Iako je vodonik najzastupljeniji element u vasioni, na Zemlji se javlja u malim količinama (0,9% u gornjim slojevima), uglavnom u obliku hemijskih jedinjenja (voda). U obliku jedinjenja, ima ga u ogromnim količinama, ponajviše u obliku vode, koja prekriva gotovo dve trećine Zemljine površine. Sastavni je deo mnogih organskih jedinjenja, kiselina i rastvarača. Neke alge i bakterije stvaraju gasoviti vodonik. On je on biogeni element. Po broju atoma, treći je, odmah nakon kiseonika i silicijuma, a po masenom udelu je na desetom mestu.

U slobodnom obliku javlja se u vidu dvoatomnih molekula H₂. Katjon vodonika H⁺ (u vodenim rastvorima je hidratisan: oksonijum jon H₃O⁺, Cundelov (Zundel) katjon, H₅O₂⁺, Ajgenov (Eigen) katjon, H₉O₄⁺) nastaje usled disocijacije kiselina. Koncentracija vodonikovih jona izražava se pomoću pH vrednosti.

Dobijanje

Laboratorijsko dobijanje

Najčešće se dobija onako kako ga je prvi put dobio Kavendiš, tj. reakcijom cinka i hlorovodične kiseline, umesto koje se često koristi i razređena sumporna kiselina:

Zn_(s) + 2 H⁺ → Zn²⁺ + H_2(g)

Za razvijanje gasova u laboratoriji najpogodniji je Kipov aparat, jer se reakcija u njemu može prekinuti i na taj način proizvode samo potrebne količine gasa.

Može se dobiti i reakcijom vode s čvrstim hidridima, kao što je kalcijum hidrid:

2 H₂O + CaH_2(s) → 2 H_2(g) + Ca²⁺ + 2 OH^-,

te reakcijom metala negativnog redukcijskog potencijala s bazama, ako ti metali stvaraju hidrokso-komplekse:

2 Al_(s) + 6 H₂O + 2 OH^- → 2 Al(OH)₄^- + 3 H_2(g)

Industrijsko dobijanje

Zavisno od cene električne energije i energenata, vodonik se dobija na nekoliko načina.

U zemljama s jeftinom električnom energijom, dobija se elektrolizom vode, zalužene alkalijskim hidroksidom zbog povećanja provodnosti:

• katoda (-): 4 H₂0 + 4e^- → 2 H_2(g) + 4 OH^-
• anoda (+): 4 OH^- → O_2(g) 2 H₂O + 4e^-

2 H₂O → 2 H_2(g) + O_2(g)

Vodonik se dobija i kao nusprodukt pri proizvodnji hlora metodom hloralkalne elektrolize.

Jedna od najraširenijih i najjeftinijih metoda je piroliza ugljovodonika, kao što je etana:

C₂H_2(g) → C₂H_4(g) + H_2(g)

Kada je lako dostupan metan, koristi se njegova reakcija s vodenom parom na 1100 °C:

CH_4(g) + H₂O ⇄ CO_(g) + 3 H_2(g) $\Delta {}_{\mathrm {r} }H$ = 214.4 kJ mol^-1

Kada je lako dostupan i jeftin ugljen, koristi se redukcija vodene pare:

C_(s) + H₂O ⇄ CO_(g) + H_(g) $\Delta {}_{\mathrm {r} }H$ = 131.25 kJ mol^-1

Bioreaktor sa algama za proizvodnju vodonika

Dobijena smeša se zove vodeni gas.

Ugljen(II) oksid od vodonika se odvaja reakcijom s dodatnom vodenom parom, pri čemu nastaje dodatna količina vodonika:

CO_(g) + H₂O_(g) → H_2(g) + CO_2(g)

Nastali ugljen(IV) oksid uklanja se iz smeše apsorpcijom u lužini ili ispiranjem vodom pod pritiskom. Lako se uklanja i hlađenjem tečnim vazduhom. Tragovi neizreagovanog ugljenik(II) oksida uklanjaju se prevođenjem gasa preko zagrejanog natrijum hidroksida pri čemu nastaje natrijum metanoat.

Termohemijski procesi

Postoji više od 200 termohemijskih procesa, koji se mogu iskoristiti za razdvajanje vode. Oko 10-tak procesa se istražuje i ispituje za dobivanje vodonika i kiseonika iz vode, te grejanjem bez upotrebe električne struje, a ti su procesi na primer: ciklus gvožđe oksida, ciklus cerijum (IV) oksid - cerijum (III) oksid, ciklus cink – cink oksid, ciklus sumpor – jod, ciklus bakar – hlor i ciklus hibridni sumpor. Veliki broj laboratorija u Francuskoj, Nemačkoj, Grčkoj, Japanu i SAD razvijaju termohemijske procese uz korištenje Sunčeve energije i vode.

Anaerobna korozija

U spremniku je tamnozeleni gvožđe(II) hidroksid ili zelena korozija

Bez prisustva kiseonika, gvožđe i legirani čelik se polako oksiduju uz pomoć protona iz vode, koji se pretvaraju u gasoviti vodonik H₂. Anaerobna korozija stvara prvo željezni hidroksid (zelena korozija) i ta se hemijska reakcija može opisati kao:

Fe + 2 H₂O → Fe(OH)₂ + H₂

U drugom koraku, bez prisustva kiseonika, gvožđe hidroksid se može oksidovati uz pomoć protona iz vode i stvora se magnetit i gasoviti vodonik. Taj se proces naziva Šikorovom reakcijom:

3 Fe(OH)₂ → Fe₃O₄ + 2 H₂O + H₂

Dobro kristalizirani magnetit (Fe₃O₄) je termodinamički puno stabilniji od gvožđe hidroksida. Taj se proces obično dešava za vrieme anaerobne korozije gvožđa i čelika, u podzemnim vodama koje nemaju kiseonika, i u redukovanim tlu u kojem ima dosta vlage.

Geološko stvaranje – serpentacija

Bez prisustva kiseonika, u dubokim geološkim slojevima, koji su daleko od Zemljine atmosfere, gasoviti vodonik se stvara tokom procesa serpentacije, što je anaerobna oksidacija protona vode (H⁺) i gvožđe (Fe²⁺) silikata, koji je prisutan u kristalima fajalita (Fe₂SiO₄ – krajnji član olivina). Ta reakcija dovodi do stvaranja magnetita (Fe₃O₄), kvarca (SiO₂) i vodonika (H₂), na sledeći način:

3 Fe₂SiO₄ + 2 H₂O → 2 Fe₃O₄ + 3 SiO₂ + 3 H₂

Jedinjenja

Model vodonikovih veza (1) kod molekula vode.

Jedinjenja vodonika mogu se podeliti na jedinjenja u kojima je prisutan u negativnom (-1) i pozitivnom stupnju oksidacije (+1). Prva se nazivaju hidridima, i predstavljaju manjinu vodonikovih jedinjenja, dok su druga puno zastupljenija i važnija. Vodonik je sastavni je deo živog sveta, u kojem igra jednu od ključnih uloga.

Kovalentna i organska jedinjenja

Na sobnoj temperaturi nije reaktivan, dok pri višim temperaturama ulazi u niz reakcija. Poznati su milioni ugljovodonika, koji su područje proučavanja organske hemije. Vodonik stvara jedinjenja i sa elementima koji imaju veću elektronegativnost, kao što su halogeni elementi (F, Cl, Br, I). Kada se spaja sa fluorom, kiseonikom ili azotom, vodonik se može vezati jakom nekovalentnom vezom, koja se zove vodonična veza, i koja je kritična u stabilnosti mnogih bioloških molekula. Vodonik se vezuje i za manje elektronegativne elemente, kao što su metali i polumetali.

Hidridi

Hidridi su jedinjenja raznih hemijskih elemenata s vodonikom. s-blok čine elementi prve i druge grupe periodnog sistema elemenata. p-blok čine elementi 13—17. grupe periodnog sistema elemenata. To su najvažniji hidridi, i često se koriste u praksi. Dele se na kisele, bazne, amfoterne i neutralne. Kiseli hidridi su oni hidridi koji u reakciji s vodom daju kiseline. Bazni hidridi u reakciji s vodom daju baze. Amfoterni hidridi se zavisno od reakcije mogu ponašati i kao kiseline i kao baze. Neutralni hidridi ne reagiraju s vodom.

Izotopi

Sat sa luminiscentnom bojom od tricijuma

Elementarni vodonik sastoji se od običnog vodonika (Protijuma) (>99,98%), dok ostatak (gotovo 0,02%) čini teški vodonik (deuterijum) s tragovima superteškog vodonika (tricijuma).

• 1H ili protijum je daleko najzastupljeniji izotop vodonika, kojeg ima više od 99,98%. Ima jedan proton i jedan elektron. Za razliku od svih ostalih izotopa, on nema neutron.
• 2H ili deuterijum, ima jedan proton i jedan neutron u nukleusu, te jedan elektron. Smatra se da sav deuterijum u svemiru potiče još od vremena Velikog praska. Deuterijum nije radioaktivan, i ne prestavlja značajnu opasnost za zdravlje. On se koristi i kod nuklearne magnetno rezonantne spektroskopije, za označavanje neradioaktivnih materija u rastvaraču. Voda koja sadrži atome deuterijuma se naziva teškom vodom. Teška voda se koristi u nuklearnim reaktorima za smanjivanje brzine brzih neutrona, kao i za hlađenje nuklearnih reaktora. Deuterijum prestavlja moguće gorivo za dobivanje električne energije iz nuklearne fuzije.
• 3H ili tricijum, ima jedan proton i dva neutrona u nukleusu, te jedan elektron. Tricijum je radioaktivan, raspada se u helijum-3 izotop, uz pojavu beta-čestica i ima vreme poluraspada od 12,32 godine. Toliko je radioaktivan da se koristi za luminiscentne boje, koje se koriste i kod satova, kod kojih se može videti vrijeme i u mraku. Staklo sprečava da mala količina radioaktivnosti izađe. U prirodi se tricijum može naći u vrlo malim količinama u atmosferi, a nastaje uslijed delovanja kosmičkih zraka. Tricijum može nastati kod testiranja nuklearnog oružja. Tricijum prestavlja moguće gorivo za dobivanje električne energije iz nuklearne fuzije. On se koristi u hemijskim i biološkim eksperimentima kao radioaktivni označivač.

Molekularni izomeri

Prilikom ispitivanja vibracijsko-rotacijskog spektra vodonika pronađene su promene u intenzitetu rotacijskih traka, koje su protumačene hipotezom o postojanju dva oblika vodonika koji se razlikuju po nuklearnim spinovima u molekulu vodonika. Ako su spinovi dva protona iz molekula antiparalelni, rezultantni spin je nula, te je stanje nedegenerisano. Takav vodonik zove se para-vodonik. Ako su paralelni, rezultantni spin je 1, a stanje je trostruko degenerisano, što dovodi do orto-vodonika.

Pri sobnoj temperaturi, elementarni se vodonik sastoji od 75% orto-vodonika i 25% para-vodonika. Orto- i para-vodonik razlikuju se po nekim fizičkim svojstvima, kao što su energija disocijacije, toplotni kapacitet, pritisak pare i slično.

Između njih postoji ravnoteža:

o-H₂ ⇄ p-H₂ $\Delta {}_{\mathrm {} }H$ < 0,

koja se hlađenjem pomiče udesno.

Na niskim temperaturama moguće je izolovati gotovo čisti para-vodonik, dok čisti orto-vodonik nije moguće izolovati, jer povećanjem temperature ne dolazi do povećanja njegovog udela iznad 75%.

Odnos između orto- i para-vodonika je vrlo bitan kod spremanja tečnog vodonika u spremnik, jer pretvaranje orto-vodonika u para-vodonik stvara dodatno toplote, koja može dovesti do isparavanja, a time i gubitka tečnog vodonika. Zbog toga treba koristiti katalizatore, kao što je gvožđe(III) oksid, aktivni ugljenik, platinizirani azbest, metali retkih zemalja, uranova jedinjenja, hromov oksid i neki jedinjenja nikla.

Molekularni oblik jona triatomnog vodonika ili H³⁺, je pronađen u međuzvezdanoj materiji, koji je nastao jonizacijom vodonika sa kosmičkim zracima. Taj oblik molekula je takođe pronađen u gornjoj atmosferi Jupitera. To je prilično stabilno u tim okolinama, zbog malih temperatura i gustine. To je jedan od najraširenijih jona u svemiru.

Primena

Vodonik je vrlo važna industrijska sirovina. Koristi se, između ostalog u:

• sintezi amonijaka i metanola,
• proizvodnji goriva za motorna vozila hidrogenacijom ugljenika, nafte i katrana
• zavarivanju i topljenju metala
• punjenju vazdušnih balona i brodova
• redukciji metalnih oksida u metale
• hidrogenaciji ulja u masti
• procesima sagorevanja (industrije stakla, obrada dragog kamenja, sečenja i zavarivanja metala)
• hemijskoj industriji za proizvodnju sinteznih smesa, redukciji, hidrogenizaciji i desulfurizaciji
• proizvodnji električne energije
• instrumentalnoj analitici
• meteorologiji, u proizvodnji el. energije itd.
• elektronici
• proizvodnji poluprovodnika
• stvaranju redukcionih atmosfera u metalurgiji, rafinaciji metala, u termičkoj obradi metala

Radi se na korištenju vodonika kao goriva. Tehnologija je vrlo slabo rasprostranjena.

Prednosti vodonika kao goriva su:

• visoka energetska vrednost
• neograničene količine dostupne u jedinjenjima
• izgaranjem nastaje hemijski čista vodu
• cevovodima se može razvoditi
• lakše se skladišti i čuva nego električna energija

Nedostaci koji sprečavaju rašireniju upotrebu su:

• visoka cena i često slaba isplativost izdvajanja vodonika iz jedinjenja
• obilno curenje vodonika kroz spremnike i cevovode, zbog ekstremno malih molekula
• vodonik difuzijom prodire u razne metale i narušava njihovu kristalnu rešetku čineći ih krtima
• opasnost za ozonski sloj jer redukuje ozon u vodu

U hemijskom smislu, vodonik nije izvor, već spremnik energije, jer nije prirodno nabavljiv u elementarnom obliku. U slučaju uspešne i održive nuklearne fuzije u nuklearnoj elektrani, bio bi izvor ogromnih količina energije.

Velike količine H₂ se koriste u naftnoj i hemijskoj industriji. Najveća primena je kod poboljšanja fosilnih goriva i u proizvodnji amonijaka. U petrohemiji H₂ se koristi u procesima kao što su: hidrokrekovanje, katalitičko reformiranje benzina, izomerizacija i alkilacija. H₂ se isto koristi u povećanju zasićenja nezasićenih masti i ulja (koristi se za dobivanje margarina). Takođe je sirovina za dobivanje hlorovodonične kiseline, a koristi se i kao redukcioni agens za mineralne sirovine ili rude.

Vodonik je izuzetno rastvoran u mnogim retkim i prelaznim metalima, a rastvoran je i u nanokristalima i amorfnim metalima. Rastvorljivost u metalima utiče na lokalne deformacije ili nečistoće u kristalnim rešetkama, tako da metali postaju krtiji i lomljiviji, što stvara velike probleme u metalurgiji, u izradi cevovoda i metalnih rezervoara. Ponekad se to može rešiti, ako vodonik se pročisti prolaskom kroz diskove paladijuma.

Gasoviti vodonik H₂ se koristi za hlađenje rotora električnih generatora u elektranama, zato što ima najveću toplotnu provodljivost od svih gasova. Tečni H₂ se koristi u ispitivanju superprovodnosti kod vrlo niskih temperatura. Budući da je gasoviti vodonik H₂ skoro 15 puta lakši od vazduha, nekad se koristio za balone na vrući vazduh.

U novije vreme, gasoviti vodonik H₂ se meša sa azotom, za dobivanje formirajućeg gasa (oko 5% vodonika u azotu), koji se koristi kod postupka lociranja ili utvrđivanja propuštanja kod raznih cevovoda u automobilskoj, hemijskoj industriji, elektranama, vazduhoplovstvu i telekomunikacijama. Vodonik se koristi kao dodatak hrani (E 949) za proveru konzervirane hrane.

Nosilac energije

Mercedes-Benz O530 Citaro autobus koji se pokreće vodoničnom gorivnom ćelijom, u Brnu, Češka.

Vodonik nije izvor energije, osim u mogućim elektranama na nuklearnu fuziju, koje bi koristile deuterijum i tricijum, što je još daleko od komercijalne upotrebe. Vodoniku koji se dobije iz sunčevih, bioloških ili električnih izvora, potrebno je više energije nego što od njega može dobiti izgaranjem, zato on više ima ulogu kao baterija, za skladištenje energije. Vodonik se može dobiti iz metana, ali ti se izvori nazivaju neodrživim izvorima energije.

Gustina energije po jedinici zapremine, za tečni ili komprimirani vodonik, je puno manja od poznatih fosilnih goriva, iako po jedinici mase, gustina energije je veća. Ipak, o vodoniku se dosta raspravlja kao o budućem nosiocu energije. Tako recimo, vezivanje ugljen-dioksida iz vazduha, može biti povezano sa stvaranjem H₂ kao fosilnog goriva. Tada bi vodonik bio relativno čisti izvor energije, uz malo ispuštanje azotnih oksida, ali bez stvaranja ugljen-dioksida. Ipak, ulaganje u infrastrukturu bi bilo znantno.

Proizvodnja poluprovodnika

U proizvodnji poluprovodnika, vodonik se koristi za zasićenje labilnih veza u amorfnom silicijumu i amorfnom ugljeniku, da bi im se povećao kvalitet. On je isto mogući dodatak u različitim oksidima, kao: ZnO, SnO₂, CdO, MgO, ZrO₂, HfO₂, La₂O₃, Y₂O₃, TiO₂, SrTiO₃, LaAlO₃, SiO₂, Al₂O₃, ZrSiO₄, HfSiO₄ i SrZrO₃.

Postupak i materijali

• Rad sa gasom zahteva primenu posebnih propisa i mera zaštite.
• Preporučuje se upotreba legura aluminijuma, magnezijuma i nikla. Mogu se primeniti sintetski kaučuk i slični polimeri (sve samo za gasoviti vodonik).
• U čeličnim sudovima - bocama, pod pritiskom od 150 bara. Boce su pojedinačne ili u baterijama - paletama sa zajedničkim ventilom za punjenje i pražnjenje, u baterijama sudova - boca trajno ugrađenim na transportno vozilo ili u tečnom agregatnom stanju specijalnim transportnim vozilima do rezervoara korisnika.

Biološka uloga

Vodonik se kao sastojak vode, nalazi se u svakom biološkom organizmu u znatnim količinama. Osim u vodi, nalazi se i u gotovo svim organskim jedinjenjima unutar organizma, vezan kovalentno za elemente poput ugljenika ili azota. U vodenim rastvorima koji su deo svakog organizma, prisutan je u obliku H₃O⁺ jona, te kao takav ima izvanredno važnu, temeljnu ulogu u regulaciji ćelijskih procesa.

H₂ se stvara kod nekih vrsta vrenja ili fermentacija, a stvaraju ga neki mikroorganizmi, obično uz pomoć katalizatora, koje sadrže enzime sa gvožđem ili niklom, koji se nazivaju hidrogenaze.

Razdvajanje vode u protone, elektrone i kiseonik, javlja se kod gotovo svih biljaka koje vrše fotosintezu. Neki organizmi, kao što su modrozelene alge su razvile i drugi korak, koji se odvija u tami i kojim se stvara gasoviti vodonik H₂ uz pomoć specijalnih hidrogenaza u hloroplastu. U toku su ispitivanja na genetski modifikovanim modrozelenim algama, s ciljem njihove primene u stvaranju H₂, čak i u prisustvu kiseonika, t.j. njihove primene u bioreaktorima.

Vidi još

• Henri Kevendiš
• Protijum
• Deuterijum
• Tricijum
• Borov model atoma

Literatura

• Emsley, John (2001). Nature's Building Blocks. Oxford University Press. 
• Chart of the Nuclides (17th izd.). Knolls Atomic Power Laboratory. 2010. ISBN 978-0-9843653-0-2. 
• Ferreira-Aparicio, P; Benito, M. J.; Sanz, J. L. (2005). „New Trends in Reforming Technologies: from Hydrogen Industrial Plants to Multifuel Microreformers”. Catalysis Reviews. 47 (4): 491—588. doi:10.1080/01614940500364958. 
• Newton, David E. (1994). The Chemical Elements. New York: Franklin Watts. ISBN 978-0-531-12501-4. 
• Rigden, John S. (2002). Hydrogen: The Essential Element. Cambridge, Massachusetts: Harvard University Press. ISBN 978-0-531-12501-4. 
• Romm, Joseph J. (2004). The Hype about Hydrogen, Fact and Fiction in the Race to Save the Climate. Island Press. ISBN 978-1-55963-703-9. 
• Scerri, Eric (2007). The Periodic System, Its Story and Its Significance. New York: Oxford University Press. ISBN 978-0-19-530573-9. 

Spoljašnje veze

• Basic Hydrogen Calculations of Quantum Mechanics
• Hydrogen at The Periodic Table of Videos (University of Nottingham)
• High temperature hydrogen phase diagram
• Wavefunction of hydrogen
• Low Energy Linear Accelerator – Monatomic Hydrogen diagram